西部交通建设科技项目 交通编号: 合同号:2009 318 223 093 单位编号: 密级:分类号:U4 震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术研究 研究报告简本 交通运输部公路科学研究院四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院 招商局重庆交通科研设计院有限公司北京交通大学北京公科固桥技术有限公司2012 年2月中文题名震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术研究 英文题名Research on Rapid Inspection and Evaluation & Emergency Repairing Techniques of the Post-Earthquake Road Bridges and Tunnels 交通编号项目来源西部交通建设科技项目 单位编号合同号2009 318 223 093 分类号U4 项目起止年限 2009 年8月至 2012 年2月第一完成单位 交通运输部公路科学研究院 密级项目负责人李健(高级工程师) 报告撰写人 李健(高级工程师) 廖军(高级工程师) 潘宝林(高级工程师) 项目主要参加人交通运输部公路科学研究院:李健(高级工程师) 、廖军(高级工程师) 、王国亮 (副研究员) 、任红伟(研究员) 、郑晓华(副研究员) 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院:吉随旺(教授级高工) 、李玉文(教 授级高工) 、陶双江(工程师) 、胡德贵(高级工程师) 、李海清(高级工程师) 招商局重庆交通科研设计院有限公司: 刘海京 (副研究员) 、 秦之富 (高级工程师) 、 谢峰(工程师) 北京交通大学:王元丰(教授) 、韩冰(副教授) 、刘保东(教授) 北京公科固桥技术有限公司:潘宝林(高级工程师) 、王辰杰(助理工程师) 、赵 巧燕(高级工程师) 、刘心亮(工程师) 主题词震后公路桥隧快速检测评估应急保通 关键词公路桥梁隧道地震应急阶段应急流程抢通调查评估保通检测评估评估标准评估方 法DERU 震害损伤易损性抢通保通修复补强处治流程 报告摘要: 本报告为 "震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术" 研究的综合成果, 本研究是 "汶 川地震灾后重建公路抗震关键技术研究"的专项研究之一. 本研究以汶川地震为依托,通过大规模的国内外桥隧震害调查分析、统计、理论计算和 模型试验,从桥隧应急评估体系、方法与抢通保通体系、方法等方面,总结建立了我国公路 桥隧震后应急工作流程,制定了快速检测评估依据和判定标准,创立了评估方法;在桥隧震 害损伤的基础上提出了三十余项震后桥隧抢通、保通技术措施和应用流程;研发了"震后桥 梁快速评估系统" , "节段式模块化快速组拼应急桥" , "公路隧道模块化组装式防护系统" . 以上综合研究成果可为我国公路震后应急评估和处治提供技术支撑. Abstract: This report is a synthesis of the rapid detection, evaluation and emergency response techniques of post-earthquake highway bridge and tunnel research, which is one of the key technology study of roads seismic reconstruction after the Wenchuan Earthquake. Based on the Wenchuan Earthquake, through a large-scale domestic and international bridges and tunnels seismic survey and analysis, statistics, theoretical calculations and experiments,from the aspects of the emergency assessment and reconstruction systems and methods, the emergency workflow was established, and the basis for the assessment of the rapid detection and criteria and methods were completed. According to the post-earthquake bridge and tunnel damage, emergency response techniques and wordflow were studied. And "the Bridge Rapid Assessment System","Corrugated Steel Webs Laminated Composite Fast Modular Assembly Emergency Bridge" and "Modular Assembly of Road Tunnel Protection Systems" were research and developed. These research can provide technical support for emergency assessment and treatment of highway after the earthquakes. 1 目录 1 前言.1 2 研究目的与考核指标.2 2.1 研究目的与任务.2 2.2 完成的主要成果及形式 3 3 主要研究内容.4 4 主要科技成果.5 4.1 构建的技术体系.5 4.2 取得的技术成果.6 4.3 形成的技术产品.10 5 创新点.11 6 社会、经济及环境效益.12 7 推广应用前景.13 1 1 前言 我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带,是一个地震活动频繁 的国家.根据地震台网的监测数据,我国已进入第五个地震活跃期,目前已进入 了强震高发期,地震灾害将是我国长期面临的重大自然灾害之一. 地震作为一种突发性的自然灾害,具有发生时间短、波及面广、造成灾害程 度严重的特点.根据地震灾害的阶段划分,震后工作的第一要务就是救援,抢险 救灾是分秒必争的紧迫事项.但地震导致公路桥梁、隧道等破坏,造成应急救援 人员和物资运输重要通道的中断,阻碍救援工作开展.判定公路桥梁、隧道能否 通行的检测和评估技术以及为实现抢险救灾而采取的公路桥、 隧抢通、 保通技术, 能为救援工作的开展扫平障碍. 位于世界主要地震带的美国、日本和中国台湾地区,较早就开展了震后公路 桥、隧的检测、评估和应急处治技术的研究,他们在此领域已建立了一套较为完 整的应急体系,在历次重大地震的灾后救援中发挥巨大作用. 我国在震后公路桥隧快速检评和应急处治技术领域尚没有相关技术的系统 性研究成果,仅在《地震灾害评估》 (1995 年,李树桢)和《地震现场工作:第 三部分调查规范》 (GB/18208.3-2000)中有简单论述,已不适应我国公路抗震减 灾技术发展现状的需要. "5.12"汶川地震的发生暴露了我国在震后公路桥隧快 速检评及应急保通技术方面的隐忧. 鉴于此, 交通运输部组织国内相关科研单位开展了"汶川地震灾后重建公路 抗震减灾关键技术研究"重大专项科技攻关活动. "震后公路桥隧快速检测评估 及应急保通技术研究" (编号:2009 318 223 093)是该重大专项子课题之一,旨 在研究解决该领域相关关键技术问题,提高我国公路抗震减灾的综合能力,于2009 年8月正式立项,历时近 3 年,先后有数十人参与了研究工作. 本项目由交通运输部公路科学研究院主持, 参加单位有四川省交通运输厅公 路规划勘察设计研究院、招商局重庆交通科研设计院有限公司、北京交通大学、 北京公科固桥技术有限公司. 研究成果可直接应用于震后公路桥隧的抢通保通工 作实践, 为该领域的技术标准和规范体系的建立提供技术支撑,提高我国抗震减 2 灾领域的综合技术水平和震灾应急救援能力. 2 研究目的与考核指标 2.1 研究目的与任务 本项目通过调查总结、归纳、模型试验、理论分析、数值计算和实桥验证, 研究建立我国震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术工作体系, 直接应用于 我国震后公路桥梁和隧道的应急检测评估与应急抢通、保通工作中,为抢险救灾 顺利开展提供支持, 并为我国今后建立震后公路桥隧快速检测评估及应急保通领 域的标准规范体系提供技术支撑. 根据合同任务书要求,本项目考核的主要技术指标包括: (1)提交"震后公路桥隧快速检测评估和应急保通情况调研报告" ,调研汶 川地震及国内外其他地震中受到影响的公路桥隧不少于 40 座,报告图文并茂, 以图片及表格等形式, 反映有关桥隧震后的快速检测和快速应急处治手段、方法 及效果,反映当前国内外研究现状. (2)提交"影响震后桥隧快速检测评估的基本信息研究" ,提出桥梁管理系 统中缺少,且对桥隧快速检测评估和应急保通至关重要的信息和参数. (3)提交"震后公路桥隧快速检测评估方法" (简明手册) ,简便、实用、 可靠、适用性强,可快速评价桥隧震害状况,判断其通行能力,为抢通、保通公 路生命线提供决策依据. (4)提交震后公路桥隧应急处治技术指南,明确各种病害对应的应急处治 方法,处治的工法和材料因地制宜、适用性强.经专家审查认可后,达到可在行 业内推广应用的标准. (5)提交的有关研究成果可完善我国突发地震灾害后的公路桥隧快速检测 评估及应急保通技术, 为震后公路桥隧快速检测评估及应急保通领域标准规范体 系的建立提供技术支撑. 3 2.2 完成的主要成果及形式 经过近三年的研究攻关, 本项目按合同要求完成全部研究内容,取得研究成 果有: 1)研究报告: (1)震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术研究总报告; (2)专题一:震后公路桥隧快速检测评估和应急保通情况调研报告; (3)专题二:影响震后公路桥隧快速检测评估的基本信息研究报告(桥梁 部分) ; (4)专题二:影响震后公路桥隧快速检测评估的基本信息研究报告(隧道 部分) ; (5)专题三:震后公路桥梁快速检测评估方法研究报告; (6)专题四:震后公路隧道快速检测评估方法研究报告; (7)专题五:震后公路桥梁抢通、保通应急处治措施研究报告; (8)专题六:震后公路隧道抢通、保通应急处治措施研究报告; (9)节段式模块化快速组拼应急桥研究报告; (10)节段式模块化快速组拼应急桥试验报告. 2)技术指南、手册、说明: (1)震后公路桥梁快速检测评估简明手册; (2)震后公路隧道快速检测评估简明手册; (3)震后公路桥梁应急处治技术指南; (4)震后公路隧道应急处治技术指南; (5)震后公路隧道应急抢保通组合拼装式拱型防护系统使用手册; (6) "震后桥梁快速评估系统 V1.0"开发使用说明. 3)专利: (1) 发明专利: 节段式模块化快速组拼应急桥 (申请号: 201210156026.6) ; 组合拼装式震后隧道抢保通防护系统(申请号:201220119617.1) ; ( 2 ) 实用新型专利:节段式模块化快速组拼应急桥(专利号:201220226091.7 ) ; 组合拼装式震后隧道抢保通防护系统(专利号:4201210083852.2) . 4) 软件著作权: "震后桥梁快速评估系统 V1.0" (登记号: 2012SR016730) . 5)共培养硕士研究生 3 名,博士研究生 1 名,发表学术论文 16 篇. 3 主要研究内容 本研究项目共分为 6 个专题, 包括①震后公路桥隧快速检测评估和应急保通 情况调研②震后公路桥隧快速检测评估需要的基本信息研究③震后公路桥梁快 速检测评估方法研究④震后公路隧道快速检测评估方法研究⑤震后公路桥梁抢 通、保通应急处治技术研究⑥震后公路桥梁抢通、保通应急处治技术研究.根据 项目分工,项目组开展了大量工作,主要工作如下: ①通过大量现场调研、走访,借鉴地震防灾技术先进国家和地区的经验,结 合汶川震后现场工作体会, 制定了侧重点有所区别的抢通和保通两阶段评估框架 和四级响应机制; ②以统计归纳和数值模拟为手段,研究桥、隧地震破坏机制与形态,分析桥 隧地震破坏的影响因素,提出了影响桥、隧快速检测评估的关键参数; ③对重点参数,通过理论分析、计算比对、试验验证的方法提取出了桥墩斜 率、支撑有效面积等关键参数,作为评估的重要检测对象和关键指标; ④通过对海量图片的分析, 对病害程度按承载能力和通行能力的影响制定三 级图形标杆, 用图形标杆和量化参数结合的方法确定构件评估等级,解决了现场 普通养护人员无法准确判断病害程度的关键问题; ⑤通过对国内外隧道检测评估方法的调研, 将隧道依其特性按构件予以区分, 引入隧道结构劣化严重程度、劣化范围、影响程度和急迫程度等指标,建立了 DERU 评估方法,实现了对震后公路隧道快速检测评估的快速、简便和准确; ⑥通过吸收、 借鉴国内外震后桥隧快速处治技术和既有的桥隧养护加固技术, 总结制定了全面完整的震后公路桥隧应急处治技术方法,以保证"生命线"的通 行为关键原则,建立了应急处治流程,形成了震后公路桥隧应急处治技术体系. ⑦通过调研、方案论证,理论计算,比选和同比例模型试验等,研发了"节 段式模块化快速组拼应急桥"和"组合拼装式拱型防护系统" . 5 4 主要科技成果 项目组全面完成了项目研究大纲及合同书的相关要求,主要研究成果如下: 4.1 构建的技术体系 通过系统性研究, 初步构建了我国震后桥梁、隧道快速检测评估与应急处治 的技术体系,见图 4-1,包括地震应急的阶段划分、响应机制、工作流程,以及 各阶段和流程节点的具体支撑技术及技术产品. 图4-1 震后桥梁、隧道快速检测评估与应急处治的技术体系框图 公路工程 路基、 边坡、 支挡等?? 新建工程 养护加固 日常情况 洪水等?? 地震灾害 震后桥粱、隧道应急与恢复 救援抢通阶段 救援保通阶段 恢复重建阶段 抢通调 查评估 抢通应 急处治 保通检 测评估 保通应 急处治 安全检 测评定 正式恢 复重建 评估手册、处治指南、应急包、 软件、 应急桥、防护系统等支撑技术?? 路网灾情辨识等 6 4.2 取得的技术成果 1) 结合桥梁震害研究现状,对桥梁地震破坏的机制与形态进行了分析和归 纳, 确定了桥梁地震破坏的主要影响因素及规律,提出了考虑损伤的易损性分析 方法和震后桥梁快速检测的关键指标. 2) 结合地震工程学的基础理论及隧道震害研究现状,对隧道地震破坏的机 制与形态进行了分析和归纳, 确定了隧道地震破坏的主要影响因素及规律;分析 了隧道的基本信息和基础数据, 制定了 《公路隧道基本信息及基础数据调查表》 , 用于隧道的基本信息收集和调查. 3) 研究提出了公路桥梁震灾应急的阶段划分和工作流程, 见图 4-2, 将震后 公路桥梁评估、处治和恢复的全过程划分为:抢通阶段、保通阶段和重建阶段三 个阶段. 7 图4-2 震后桥梁应急流程 抢通 调查 限制通行 (黄色) 禁止通行 (红色) 限制通行 (黄色) 正常通行 (绿色) 保通 处治 检测 评定 复旧或 重建 恢复 正常 可否绕行 可 禁止通行 (红色) 保通 评估 否 绕行 强震 发生 路网灾情辨识 保通阶段 重建阶段 航空 拍摄 卫星 侦察 抢通阶段 正常通行 (绿色) 抢通 处治 可否绕行 可否84) 研究提出了公路桥梁地震应急的四级应急响应机制,包括各级响应的启 动机制、响应范围和响应活动等. 5) 在借鉴国内外相关标准、 总结分析大量试验资料和有限元分析的基础上, 研究提出了桥梁震害损伤的分级标准,见图 4-3. 图4-3 桥梁保通检测评估分级标准示例 6) 研究提出了震后桥梁抢通调查评估技术和保通检测评估技术,分别包括 抢通阶段和保通阶段的人员组织、调查项目、调查方法和评估标准,制定了"震 后桥梁抢通调查评估表"和"震后桥梁保通检测评估表" . 7) 研究提出了我国震后公路隧道各阶段的快速检测评估、修复工作流程. 8) 对震后公路隧道的损伤评价体系、检测评估技术、判定准则、检测仪器 设备进行了研究, 提出了我国公路隧道震后抢通阶段、保通阶段的快速检测评估 9 技术,包括:人员组织、调查项目、调查方法和评估标准等,制定了"震后隧道 抢通调查评估表"和"震后隧道保通检测评估表" ,隧道评定实例见表 4-1. 表4-1 隧道劣化程度(D 值)评定实例图片 序号 检测项目 劣化程度图片及评分 1 洞口边坡稳定 性1分(无震害破坏) 2 分(坡面出现小裂缝) 3 分(坡面渗水漫流) 4 分(边坡垮塌掩埋洞口) 2 洞口边坡支护 1 分(无破坏) 2 分(挡土墙表面局部掉块) 3 分(挡土墙开裂明显) 4 分(边坡支护失效) 9) 在调研国内外资料,总结汶川地震应急处治技术经验的基础上,结合我 国公路特点, 研究建立了震后公路桥梁应急处治体系和处治流程,明确了震灾恢 复各阶段的处治目标和适用方法. 10) 研究总结了震后抢通阶段和保通阶段的公路桥梁应急处治技术,共10 11 类30 余项,包括交通管制措施、临时通行技术、快速修复技术(临时支撑技 术、防落梁技术、被动防护技术、防冲刷技术、顶升复位技术) 、便道便桥技术 (应急便道技术、应急便桥技术) 、快速补强技术和临时桥梁技术等,明确提出 了不同阶段各应急处治技术的应用情况、使用范围,方法(包括材料设备、设计 要点、构造细节和施工工艺等)内容,并绘制了技术概要图,见图 4-4. 11) 在汶川地震后抢保通经验总结和国内现有公路隧道运营养护及加固 处治技术的基础上, 研究提出了我国隧道地震后抢通保通技术体系,完善了包括 相关技术方案、 施工工作流程、 施工工艺和材料设备的各种震害处治维修措施的 各项内容,绘制了典型隧道震害应急处治及初期维修示意图和处治简图,见图 4-5. 12) 撰写了《震后公路桥梁快速检测评估手册》 、 《震后公路隧道快速检 测评估手册》 、 《震后公路桥梁抢通保通应急处治指南》和《震后公路隧道抢通保 通应急处治指南》 ,可作为现阶段我国公路震灾应急的指导性技术文件,并可为 后续相关标准、规范或规程的建立提供技术支撑. 图4-4 桥墩快速补强技术示例简图 图4-5 隧道快速处治技术示例简图 4.3 形成的技术产品 1)研究总结了震后桥梁、隧道快速检测评估的简易工具、设备和器具,形 成定型化的地震应急包. 2)开发了"震后桥梁快速评估系统 V1.0" ,取得软件著作权 1 项(登记号 2012SR016730) ,该系统实现了公路桥梁基本信息的电子化管理,内置震后桥梁 11 快速检测评估分级标准,使得震后公路桥梁检测评估信息可存储、可交换,能实 时传输,在应急效率和响应速度方面实现突破,系统界面见图 4-8. 3)研发了"节段式模块化快速组拼应急桥" ,取得实用新型专利(专利号 201220226091.7) .该应急桥桥体采用双π形截面模块化设计,腹板采用波纹钢 腹板,底板采用叠层复合新材料,具有重量轻、稳定性好、跨越能力强、组合拼 装灵活、拼装架设快速方便的特点.桥梁节段可利用随车吊架装卸和移动拼装, 可跨越 30m 的障碍,满足 30t 车辆单向通行,2 小时内完成拼装架设,较321 钢 桥和 HD 200 钢桥重量轻,架设快,加工及模型见图 4-6 和图 4-7. 4)研发了"组合拼装式震后隧道抢保通防护系统" ,获得实用新型专利(专 利号 ZL2012 2 0119617.1) . 该防护系统采用可拆卸的结构组成, 方便现场制作、 组装和移动,包括型钢架板型和钢拱架波纹板型两种结构形式,见图 4-9. 图4-6 应急桥底板碳纤维板粘贴涂胶 图4-7 应急桥节段模型 图4-8 震后桥梁快速评估系统界面 图4-9 方拱防护系统剖面(1 车道) 5 创新点 1)建立了我国公路桥隧震后快速检测评估与应急处治的工作体系,提出了 12 公路桥隧震后应急响应机制、 震后应急三阶段工作划分和震后应急工作流程;明 确提出了各阶段的评估对象、 范围、 人员、 方法、 分级标准、 工器具和结果标识, 对指导震后公路桥隧震灾应急具有指导作用. 2)建立了我国震后公路桥梁抢通调查评估和保通检测评估分阶段快速评估 技术体系与方法.抢通调查评估方法简便、实用、可操作性强.保通检测评估方 法考虑了震害对不同结构体系的敏感性差异,以震害图形标杆比对为主,以震后 桥墩倾斜率、 支撑有效面积等量化评估指标为辅,以影响承载力或通行能力的最 差构件评估为原则的震后桥梁保通检测评估标准和方法. 3)建立了我国震后公路隧道抢通调查评估和保通检测评估分阶段快速评估 技术体系与方法.抢通调查评估方法简便、实用、可操作性强.保通检测评估方 法采用状况指标 CI 和优选指标 PI 进行量化评定, 实现了对损伤程度及安全性进 行快速评估. 4)系统研究提出了震后公路桥隧应急抢通、保通处治技术方法,规定了其 运用范围、材料设备、构造措施和工艺流程等,实现了处治手段与典型震害的预 案性一一对应. 5)基于移动 Windows 平台,采用 SAAS 互联网软件服务模式,开发了"震 后桥梁快速评估系统" ,实现了震后桥梁抢通、保通评估的信息化. 6)开发了"节段式模块化快速组拼桥" ,并取得了专利,该结构重量轻、稳 定性好、跨越能力强、组合拼装灵活、拼装架设快速方便. 7)开发了"组合拼装式震后隧道抢保通防护结构" ,并取得了专利. 8)编制了《震后公路桥梁快速评估简明手册》 、 《震后公路桥梁应急处治指 南》 、 《震后公路隧道快速评估简明手册》 、 《震后公路隧道应急处治指南》 . 6 社会、经济及环境效益 在震后的应急救援过程中, 项目研究成果的应用可以节约救援黄金期的宝贵 时间, 确保救灾人员和物资运输的畅通, 有利于灾区社会生产和生活的尽快恢复, 消除地震灾害产生的负面社会影响, 保证灾区社会和谐安定, 社会效益不可估量. 本项目研究成果可以缩短抢通保通救援时间,提高灾区的救援时效和效能, 13 极大的减少地震灾害造成的人民和社会财产的直接经济损失, 具有极大的直接和 间接经济效益. 项目研究提出的应急处治技术就地取材,节约建筑材料,减少能耗与废弃物 排放, 注重原有构造的有效循环利用, 减少了环境污染, 促进了震后环境的恢复, 环境效益显著. 7 推广应用前景 项目研究形成的震后桥梁、 隧道快速检测评估与应急处治技术体系是对我国 现有公路桥梁、隧道养护加固技术体系的丰富和发展,可纳入现有桥梁、隧道养 护加固技术体系,成为其重要补充.同时,项目研究的快速检测评估及应急处治 技术与研发的相关技术产品, 填补了我国在该领域的技术和装备储备的空白状态, 其推广应用对提高我国公路抗震减灾综合技术水平具有不可估量的意义.
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西部交通建设科技项目 交通编号: 合同号:2009 318 223 093 单位编号: 密级:分类号:U4 震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术研究 研究报告简本 交通运输部公路科学研究院四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院 招商局重庆交通科研设计院有限公司北京交通大学北京公科固桥技术有限公司2012 年2月中文题名震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术研究 英文题名Research on Rapid Inspection and Evaluation & Emergency Repairing Techniques of the Post-Earthquake Road Bridges and Tunnels 交通编号项目来源西部交通建设科技项目 单位编号合同号2009 318 223 093 分类号U4 项目起止年限 2009 年8月至 2012 年2月第一完成单位 交通运输部公路科学研究院 密级项目负责人李健(高级工程师) 报告撰写人 李健(高级工程师) 廖军(高级工程师) 潘宝林(高级工程师) 项目主要参加人交通运输部公路科学研究院:李健(高级工程师) 、廖军(高级工程师) 、王国亮 (副研究员) 、任红伟(研究员) 、郑晓华(副研究员) 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院:吉随旺(教授级高工) 、李玉文(教 授级高工) 、陶双江(工程师) 、胡德贵(高级工程师) 、李海清(高级工程师) 招商局重庆交通科研设计院有限公司: 刘海京 (副研究员) 、 秦之富 (高级工程师) 、 谢峰(工程师) 北京交通大学:王元丰(教授) 、韩冰(副教授) 、刘保东(教授) 北京公科固桥技术有限公司:潘宝林(高级工程师) 、王辰杰(助理工程师) 、赵 巧燕(高级工程师) 、刘心亮(工程师) 主题词震后公路桥隧快速检测评估应急保通 关键词公路桥梁隧道地震应急阶段应急流程抢通调查评估保通检测评估评估标准评估方 法DERU 震害损伤易损性抢通保通修复补强处治流程 报告摘要: 本报告为 "震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术" 研究的综合成果, 本研究是 "汶 川地震灾后重建公路抗震关键技术研究"的专项研究之一. 本研究以汶川地震为依托,通过大规模的国内外桥隧震害调查分析、统计、理论计算和 模型试验,从桥隧应急评估体系、方法与抢通保通体系、方法等方面,总结建立了我国公路 桥隧震后应急工作流程,制定了快速检测评估依据和判定标准,创立了评估方法;在桥隧震 害损伤的基础上提出了三十余项震后桥隧抢通、保通技术措施和应用流程;研发了"震后桥 梁快速评估系统" , "节段式模块化快速组拼应急桥" , "公路隧道模块化组装式防护系统" . 以上综合研究成果可为我国公路震后应急评估和处治提供技术支撑. Abstract: This report is a synthesis of the rapid detection, evaluation and emergency response techniques of post-earthquake highway bridge and tunnel research, which is one of the key technology study of roads seismic reconstruction after the Wenchuan Earthquake. Based on the Wenchuan Earthquake, through a large-scale domestic and international bridges and tunnels seismic survey and analysis, statistics, theoretical calculations and experiments,from the aspects of the emergency assessment and reconstruction systems and methods, the emergency workflow was established, and the basis for the assessment of the rapid detection and criteria and methods were completed. According to the post-earthquake bridge and tunnel damage, emergency response techniques and wordflow were studied. And "the Bridge Rapid Assessment System","Corrugated Steel Webs Laminated Composite Fast Modular Assembly Emergency Bridge" and "Modular Assembly of Road Tunnel Protection Systems" were research and developed. These research can provide technical support for emergency assessment and treatment of highway after the earthquakes. 1 目录 1 前言.1 2 研究目的与考核指标.2 2.1 研究目的与任务.2 2.2 完成的主要成果及形式 3 3 主要研究内容.4 4 主要科技成果.5 4.1 构建的技术体系.5 4.2 取得的技术成果.6 4.3 形成的技术产品.10 5 创新点.11 6 社会、经济及环境效益.12 7 推广应用前景.13 1 1 前言 我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带,是一个地震活动频繁 的国家.根据地震台网的监测数据,我国已进入第五个地震活跃期,目前已进入 了强震高发期,地震灾害将是我国长期面临的重大自然灾害之一. 地震作为一种突发性的自然灾害,具有发生时间短、波及面广、造成灾害程 度严重的特点.根据地震灾害的阶段划分,震后工作的第一要务就是救援,抢险 救灾是分秒必争的紧迫事项.但地震导致公路桥梁、隧道等破坏,造成应急救援 人员和物资运输重要通道的中断,阻碍救援工作开展.判定公路桥梁、隧道能否 通行的检测和评估技术以及为实现抢险救灾而采取的公路桥、 隧抢通、 保通技术, 能为救援工作的开展扫平障碍. 位于世界主要地震带的美国、日本和中国台湾地区,较早就开展了震后公路 桥、隧的检测、评估和应急处治技术的研究,他们在此领域已建立了一套较为完 整的应急体系,在历次重大地震的灾后救援中发挥巨大作用. 我国在震后公路桥隧快速检评和应急处治技术领域尚没有相关技术的系统 性研究成果,仅在《地震灾害评估》 (1995 年,李树桢)和《地震现场工作:第 三部分调查规范》 (GB/18208.3-2000)中有简单论述,已不适应我国公路抗震减 灾技术发展现状的需要. "5.12"汶川地震的发生暴露了我国在震后公路桥隧快 速检评及应急保通技术方面的隐忧. 鉴于此, 交通运输部组织国内相关科研单位开展了"汶川地震灾后重建公路 抗震减灾关键技术研究"重大专项科技攻关活动. "震后公路桥隧快速检测评估 及应急保通技术研究" (编号:2009 318 223 093)是该重大专项子课题之一,旨 在研究解决该领域相关关键技术问题,提高我国公路抗震减灾的综合能力,于2009 年8月正式立项,历时近 3 年,先后有数十人参与了研究工作. 本项目由交通运输部公路科学研究院主持, 参加单位有四川省交通运输厅公 路规划勘察设计研究院、招商局重庆交通科研设计院有限公司、北京交通大学、 北京公科固桥技术有限公司. 研究成果可直接应用于震后公路桥隧的抢通保通工 作实践, 为该领域的技术标准和规范体系的建立提供技术支撑,提高我国抗震减 2 灾领域的综合技术水平和震灾应急救援能力. 2 研究目的与考核指标 2.1 研究目的与任务 本项目通过调查总结、归纳、模型试验、理论分析、数值计算和实桥验证, 研究建立我国震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术工作体系, 直接应用于 我国震后公路桥梁和隧道的应急检测评估与应急抢通、保通工作中,为抢险救灾 顺利开展提供支持, 并为我国今后建立震后公路桥隧快速检测评估及应急保通领 域的标准规范体系提供技术支撑. 根据合同任务书要求,本项目考核的主要技术指标包括: (1)提交"震后公路桥隧快速检测评估和应急保通情况调研报告" ,调研汶 川地震及国内外其他地震中受到影响的公路桥隧不少于 40 座,报告图文并茂, 以图片及表格等形式, 反映有关桥隧震后的快速检测和快速应急处治手段、方法 及效果,反映当前国内外研究现状. (2)提交"影响震后桥隧快速检测评估的基本信息研究" ,提出桥梁管理系 统中缺少,且对桥隧快速检测评估和应急保通至关重要的信息和参数. (3)提交"震后公路桥隧快速检测评估方法" (简明手册) ,简便、实用、 可靠、适用性强,可快速评价桥隧震害状况,判断其通行能力,为抢通、保通公 路生命线提供决策依据. (4)提交震后公路桥隧应急处治技术指南,明确各种病害对应的应急处治 方法,处治的工法和材料因地制宜、适用性强.经专家审查认可后,达到可在行 业内推广应用的标准. (5)提交的有关研究成果可完善我国突发地震灾害后的公路桥隧快速检测 评估及应急保通技术, 为震后公路桥隧快速检测评估及应急保通领域标准规范体 系的建立提供技术支撑. 3 2.2 完成的主要成果及形式 经过近三年的研究攻关, 本项目按合同要求完成全部研究内容,取得研究成 果有: 1)研究报告: (1)震后公路桥隧快速检测评估及应急保通技术研究总报告; (2)专题一:震后公路桥隧快速检测评估和应急保通情况调研报告; (3)专题二:影响震后公路桥隧快速检测评估的基本信息研究报告(桥梁 部分) ; (4)专题二:影响震后公路桥隧快速检测评估的基本信息研究报告(隧道 部分) ; (5)专题三:震后公路桥梁快速检测评估方法研究报告; (6)专题四:震后公路隧道快速检测评估方法研究报告; (7)专题五:震后公路桥梁抢通、保通应急处治措施研究报告; (8)专题六:震后公路隧道抢通、保通应急处治措施研究报告; (9)节段式模块化快速组拼应急桥研究报告; (10)节段式模块化快速组拼应急桥试验报告. 2)技术指南、手册、说明: (1)震后公路桥梁快速检测评估简明手册; (2)震后公路隧道快速检测评估简明手册; (3)震后公路桥梁应急处治技术指南; (4)震后公路隧道应急处治技术指南; (5)震后公路隧道应急抢保通组合拼装式拱型防护系统使用手册; (6) "震后桥梁快速评估系统 V1.0"开发使用说明. 3)专利: (1) 发明专利: 节段式模块化快速组拼应急桥 (申请号: 201210156026.6) ; 组合拼装式震后隧道抢保通防护系统(申请号:201220119617.1) ; ( 2 ) 实用新型专利:节段式模块化快速组拼应急桥(专利号:201220226091.7 ) ; 组合拼装式震后隧道抢保通防护系统(专利号:4201210083852.2) . 4) 软件著作权: "震后桥梁快速评估系统 V1.0" (登记号: 2012SR016730) . 5)共培养硕士研究生 3 名,博士研究生 1 名,发表学术论文 16 篇. 3 主要研究内容 本研究项目共分为 6 个专题, 包括①震后公路桥隧快速检测评估和应急保通 情况调研②震后公路桥隧快速检测评估需要的基本信息研究③震后公路桥梁快 速检测评估方法研究④震后公路隧道快速检测评估方法研究⑤震后公路桥梁抢 通、保通应急处治技术研究⑥震后公路桥梁抢通、保通应急处治技术研究.根据 项目分工,项目组开展了大量工作,主要工作如下: ①通过大量现场调研、走访,借鉴地震防灾技术先进国家和地区的经验,结 合汶川震后现场工作体会, 制定了侧重点有所区别的抢通和保通两阶段评估框架 和四级响应机制; ②以统计归纳和数值模拟为手段,研究桥、隧地震破坏机制与形态,分析桥 隧地震破坏的影响因素,提出了影响桥、隧快速检测评估的关键参数; ③对重点参数,通过理论分析、计算比对、试验验证的方法提取出了桥墩斜 率、支撑有效面积等关键参数,作为评估的重要检测对象和关键指标; ④通过对海量图片的分析, 对病害程度按承载能力和通行能力的影响制定三 级图形标杆, 用图形标杆和量化参数结合的方法确定构件评估等级,解决了现场 普通养护人员无法准确判断病害程度的关键问题; ⑤通过对国内外隧道检测评估方法的调研, 将隧道依其特性按构件予以区分, 引入隧道结构劣化严重程度、劣化范围、影响程度和急迫程度等指标,建立了 DERU 评估方法,实现了对震后公路隧道快速检测评估的快速、简便和准确; ⑥通过吸收、 借鉴国内外震后桥隧快速处治技术和既有的桥隧养护加固技术, 总结制定了全面完整的震后公路桥隧应急处治技术方法,以保证"生命线"的通 行为关键原则,建立了应急处治流程,形成了震后公路桥隧应急处治技术体系. ⑦通过调研、方案论证,理论计算,比选和同比例模型试验等,研发了"节 段式模块化快速组拼应急桥"和"组合拼装式拱型防护系统" . 5 4 主要科技成果 项目组全面完成了项目研究大纲及合同书的相关要求,主要研究成果如下: 4.1 构建的技术体系 通过系统性研究, 初步构建了我国震后桥梁、隧道快速检测评估与应急处治 的技术体系,见图 4-1,包括地震应急的阶段划分、响应机制、工作流程,以及 各阶段和流程节点的具体支撑技术及技术产品. 图4-1 震后桥梁、隧道快速检测评估与应急处治的技术体系框图 公路工程 路基、 边坡、 支挡等?? 新建工程 养护加固 日常情况 洪水等?? 地震灾害 震后桥粱、隧道应急与恢复 救援抢通阶段 救援保通阶段 恢复重建阶段 抢通调 查评估 抢通应 急处治 保通检 测评估 保通应 急处治 安全检 测评定 正式恢 复重建 评估手册、处治指南、应急包、 软件、 应急桥、防护系统等支撑技术?? 路网灾情辨识等 6 4.2 取得的技术成果 1) 结合桥梁震害研究现状,对桥梁地震破坏的机制与形态进行了分析和归 纳, 确定了桥梁地震破坏的主要影响因素及规律,提出了考虑损伤的易损性分析 方法和震后桥梁快速检测的关键指标. 2) 结合地震工程学的基础理论及隧道震害研究现状,对隧道地震破坏的机 制与形态进行了分析和归纳, 确定了隧道地震破坏的主要影响因素及规律;分析 了隧道的基本信息和基础数据, 制定了 《公路隧道基本信息及基础数据调查表》 , 用于隧道的基本信息收集和调查. 3) 研究提出了公路桥梁震灾应急的阶段划分和工作流程, 见图 4-2, 将震后 公路桥梁评估、处治和恢复的全过程划分为:抢通阶段、保通阶段和重建阶段三 个阶段. 7 图4-2 震后桥梁应急流程 抢通 调查 限制通行 (黄色) 禁止通行 (红色) 限制通行 (黄色) 正常通行 (绿色) 保通 处治 检测 评定 复旧或 重建 恢复 正常 可否绕行 可 禁止通行 (红色) 保通 评估 否 绕行 强震 发生 路网灾情辨识 保通阶段 重建阶段 航空 拍摄 卫星 侦察 抢通阶段 正常通行 (绿色) 抢通 处治 可否绕行 可否84) 研究提出了公路桥梁地震应急的四级应急响应机制,包括各级响应的启 动机制、响应范围和响应活动等. 5) 在借鉴国内外相关标准、 总结分析大量试验资料和有限元分析的基础上, 研究提出了桥梁震害损伤的分级标准,见图 4-3. 图4-3 桥梁保通检测评估分级标准示例 6) 研究提出了震后桥梁抢通调查评估技术和保通检测评估技术,分别包括 抢通阶段和保通阶段的人员组织、调查项目、调查方法和评估标准,制定了"震 后桥梁抢通调查评估表"和"震后桥梁保通检测评估表" . 7) 研究提出了我国震后公路隧道各阶段的快速检测评估、修复工作流程. 8) 对震后公路隧道的损伤评价体系、检测评估技术、判定准则、检测仪器 设备进行了研究, 提出了我国公路隧道震后抢通阶段、保通阶段的快速检测评估 9 技术,包括:人员组织、调查项目、调查方法和评估标准等,制定了"震后隧道 抢通调查评估表"和"震后隧道保通检测评估表" ,隧道评定实例见表 4-1. 表4-1 隧道劣化程度(D 值)评定实例图片 序号 检测项目 劣化程度图片及评分 1 洞口边坡稳定 性1分(无震害破坏) 2 分(坡面出现小裂缝) 3 分(坡面渗水漫流) 4 分(边坡垮塌掩埋洞口) 2 洞口边坡支护 1 分(无破坏) 2 分(挡土墙表面局部掉块) 3 分(挡土墙开裂明显) 4 分(边坡支护失效) 9) 在调研国内外资料,总结汶川地震应急处治技术经验的基础上,结合我 国公路特点, 研究建立了震后公路桥梁应急处治体系和处治流程,明确了震灾恢 复各阶段的处治目标和适用方法. 10) 研究总结了震后抢通阶段和保通阶段的公路桥梁应急处治技术,共10 11 类30 余项,包括交通管制措施、临时通行技术、快速修复技术(临时支撑技 术、防落梁技术、被动防护技术、防冲刷技术、顶升复位技术) 、便道便桥技术 (应急便道技术、应急便桥技术) 、快速补强技术和临时桥梁技术等,明确提出 了不同阶段各应急处治技术的应用情况、使用范围,方法(包括材料设备、设计 要点、构造细节和施工工艺等)内容,并绘制了技术概要图,见图 4-4. 11) 在汶川地震后抢保通经验总结和国内现有公路隧道运营养护及加固 处治技术的基础上, 研究提出了我国隧道地震后抢通保通技术体系,完善了包括 相关技术方案、 施工工作流程、 施工工艺和材料设备的各种震害处治维修措施的 各项内容,绘制了典型隧道震害应急处治及初期维修示意图和处治简图,见图 4-5. 12) 撰写了《震后公路桥梁快速检测评估手册》 、 《震后公路隧道快速检 测评估手册》 、 《震后公路桥梁抢通保通应急处治指南》和《震后公路隧道抢通保 通应急处治指南》 ,可作为现阶段我国公路震灾应急的指导性技术文件,并可为 后续相关标准、规范或规程的建立提供技术支撑. 图4-4 桥墩快速补强技术示例简图 图4-5 隧道快速处治技术示例简图 4.3 形成的技术产品 1)研究总结了震后桥梁、隧道快速检测评估的简易工具、设备和器具,形 成定型化的地震应急包. 2)开发了"震后桥梁快速评估系统 V1.0" ,取得软件著作权 1 项(登记号 2012SR016730) ,该系统实现了公路桥梁基本信息的电子化管理,内置震后桥梁 11 快速检测评估分级标准,使得震后公路桥梁检测评估信息可存储、可交换,能实 时传输,在应急效率和响应速度方面实现突破,系统界面见图 4-8. 3)研发了"节段式模块化快速组拼应急桥" ,取得实用新型专利(专利号 201220226091.7) .该应急桥桥体采用双π形截面模块化设计,腹板采用波纹钢 腹板,底板采用叠层复合新材料,具有重量轻、稳定性好、跨越能力强、组合拼 装灵活、拼装架设快速方便的特点.桥梁节段可利用随车吊架装卸和移动拼装, 可跨越 30m 的障碍,满足 30t 车辆单向通行,2 小时内完成拼装架设,较321 钢 桥和 HD 200 钢桥重量轻,架设快,加工及模型见图 4-6 和图 4-7. 4)研发了"组合拼装式震后隧道抢保通防护系统" ,获得实用新型专利(专 利号 ZL2012 2 0119617.1) . 该防护系统采用可拆卸的结构组成, 方便现场制作、 组装和移动,包括型钢架板型和钢拱架波纹板型两种结构形式,见图 4-9. 图4-6 应急桥底板碳纤维板粘贴涂胶 图4-7 应急桥节段模型 图4-8 震后桥梁快速评估系统界面 图4-9 方拱防护系统剖面(1 车道) 5 创新点 1)建立了我国公路桥隧震后快速检测评估与应急处治的工作体系,提出了 12 公路桥隧震后应急响应机制、 震后应急三阶段工作划分和震后应急工作流程;明 确提出了各阶段的评估对象、 范围、 人员、 方法、 分级标准、 工器具和结果标识, 对指导震后公路桥隧震灾应急具有指导作用. 2)建立了我国震后公路桥梁抢通调查评估和保通检测评估分阶段快速评估 技术体系与方法.抢通调查评估方法简便、实用、可操作性强.保通检测评估方 法考虑了震害对不同结构体系的敏感性差异,以震害图形标杆比对为主,以震后 桥墩倾斜率、 支撑有效面积等量化评估指标为辅,以影响承载力或通行能力的最 差构件评估为原则的震后桥梁保通检测评估标准和方法. 3)建立了我国震后公路隧道抢通调查评估和保通检测评估分阶段快速评估 技术体系与方法.抢通调查评估方法简便、实用、可操作性强.保通检测评估方 法采用状况指标 CI 和优选指标 PI 进行量化评定, 实现了对损伤程度及安全性进 行快速评估. 4)系统研究提出了震后公路桥隧应急抢通、保通处治技术方法,规定了其 运用范围、材料设备、构造措施和工艺流程等,实现了处治手段与典型震害的预 案性一一对应. 5)基于移动 Windows 平台,采用 SAAS 互联网软件服务模式,开发了"震 后桥梁快速评估系统" ,实现了震后桥梁抢通、保通评估的信息化. 6)开发了"节段式模块化快速组拼桥" ,并取得了专利,该结构重量轻、稳 定性好、跨越能力强、组合拼装灵活、拼装架设快速方便. 7)开发了"组合拼装式震后隧道抢保通防护结构" ,并取得了专利. 8)编制了《震后公路桥梁快速评估简明手册》 、 《震后公路桥梁应急处治指 南》 、 《震后公路隧道快速评估简明手册》 、 《震后公路隧道应急处治指南》 . 6 社会、经济及环境效益 在震后的应急救援过程中, 项目研究成果的应用可以节约救援黄金期的宝贵 时间, 确保救灾人员和物资运输的畅通, 有利于灾区社会生产和生活的尽快恢复, 消除地震灾害产生的负面社会影响, 保证灾区社会和谐安定, 社会效益不可估量. 本项目研究成果可以缩短抢通保通救援时间,提高灾区的救援时效和效能, 13 极大的减少地震灾害造成的人民和社会财产的直接经济损失, 具有极大的直接和 间接经济效益. 项目研究提出的应急处治技术就地取材,节约建筑材料,减少能耗与废弃物 排放, 注重原有构造的有效循环利用, 减少了环境污染, 促进了震后环境的恢复, 环境效益显著. 7 推广应用前景 项目研究形成的震后桥梁、 隧道快速检测评估与应急处治技术体系是对我国 现有公路桥梁、隧道养护加固技术体系的丰富和发展,可纳入现有桥梁、隧道养 护加固技术体系,成为其重要补充.同时,项目研究的快速检测评估及应急处治 技术与研发的相关技术产品, 填补了我国在该领域的技术和装备储备的空白状态, 其推广应用对提高我国公路抗震减灾综合技术水平具有不可估量的意义.